Che cosa sono gli atomi e le molecole

Atomi e molecole

Esaminare gli organismi osservandone il comportamento e le interazioni con l’ambiente rappresenta un approccio di tipo olistico.Invece altri studiano organismi partendo da un approccio riduzionista e cioè secondo cui l’intero può essere compreso analizzandone le singole parti.Questi,nella loro analisi,partono dal livello gerarchico più basso,mentre gli olisti da quello più alto.
Entrambi sono però d’accordo nel riconoscere che ogni livello gerarchico si basa su quello sottostante e che a ogni gradino emergono nuove proprietà che non erano presenti nel livello di organizzazione inferiore.

I viventi sono costituiti da materia e tutto ciò che occupa spazio e che possiede massa può essere considerato tale;essa è composta da elementi chimici,cioè sostanza che può essere scomposta in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali.

Oggi si sa che sono 92 gli elementi esistenti al mondo(oro,carbonio ecc).Solo un piccolo numero di elementi non esistenti in natura,vengono creati artificialmente in particolari condizioni;hanno un numero e un simbolo di attribuzione,e generalmente esso è corrispondente alle prime due lettere del nome latino o greco(AU->oro-aurum).
Circa 25 dei 92 elementi esistenti sulla terra sono indispensabili per la vita,come l’ossigeno,il carbonio,l’idrogeno e l’azoto,che costituiscono più del 96% del corpo umano e sono indispensabili anche per gli altri esseri viventi. Il restante 4% è formato da Calcio,Fosforo,Potassio,Zolfo..
Oligoelementi sono indispensabili solo in minime quantità e solo per alcuni organismi,come il ferro,che è indispensabile per tutte le specie,mentre altri solo x alcune.
Le sostanze formate da due o più elementi combinati fra loro in un rapporto fisso costituiscono un composto(es. actina).Pochi sono i composti di elementi allo stato puro. Molti composti sono formati da due elementi di tipo diverso(NaCl il sale da cucina).Tuttavia i maggiori composti esistenti in natura sono formati da 3 o più elementi combinati fra loro(C-A-H-O).

Ogni elemento è formato da atomi diversi da quelli che compongono qualsiasi altro elemento. L’atomo è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento(atomos=indivisibile).
L’atomo è formato principalmente da 3 particelle subatomiche:
-il protone,particella subatomica con carica positiva;
- l’elettrone,particella subatomica con carica negativa;
Le cariche opposte si attraggono fra loro ed esse,come valori assoluti,sono uguali.
-il neutrone,elettricamente neutro,che non possiede alcuna carica elettrica.
I protoni e i neutroni sono in stretto contatto fra loro e costituiscono quindi il nucleo,mentre gli elettroni si muovono alla velocità della luce attorno ad esso,in una nuvola,detta di carica negativa(con sforma sferica e molto più grande rispetto al nucleo).

Gli elementi differiscono fra loro per il numero di particelle subatomiche presenti nei loro atomi;tutti gli atomi possiedono uguale numero di protoni e neutroni;il numero dei protoni rappresenta il numero atomico. Quando il n° d protoni corrisponde con quello degli elettroni la carica elettrica netta è pari a 0. In base al n° d protoni nel nucleo ciascun atomo è classificato e ordinato in una tabella,la tavola periodica degli elementi,divisa per periodi(orizz)e gruppi(vert);gli elementi che appartengono allo stesso gruppo hanno le medesime proprietà chimiche,mentre nei periodi esse variano con continuità.
Ogni atomo possiede un n° di massa,che è uguale al numero di protoni e neutroni nel nucleo,che è quindi la materia posseduta da un oggetto.

Esistono atomi con stesso numero di protoni ed elettroni,ma che differiscono nel n° di neutroni.
Carbonio-12 C,che ha 6 neutroni e corrisponde al 99% di tutto il carbonio esistente in natura e l’1% dal Carbonio-13 C,che ha7 neutroni;in pochissima percentuale il Carbonio-14 C,con 8 neutroni.
Ovviamente hanno tutti sei protoni,altrimenti non sarebbe più carbonio. C e C sono stabili-i nuclei non si modificano-,mentre C è instabile e radioattivo,cioè un isotopo il cui nucleo decade spontaneamente,emettendo particelle nucleari ed energia ed alcuni rappresentano un rischio per la vita.

Gli elettroni determinano come un atomo interagisce con un altro;gli elettroni di dispongono su più livelli,che sono detti gusci elettronici,la cui energia dipende dalla distanza dal nucleo. A seconda del numero atomico,gli atomi possono possedere uno o più gusci elettronici,ogni guscio può contenere fino a un numero massimo di elettroni,che si dispongono vicino al nucleo e via via più lontano;il guscio più interno può occupare al massimo 2 elettroni,mentre generalmente il guscio più esterno occupa fino a 8 elettroni. Gli elettroni del guscio più esterno determinano le proprietà chimiche dell’atomo,infatti gli atomi che non presentano il guscio pieno tendono a reagire con altri atomi,in modo da completarlo,cedendo o ricevendo elettroni,tramite forze di attrazione chiamate legami chimici. L’atomo gi idrogeno è molto reattivo,poiché ha un solo elettrone,così come anche A-C-O,poiché i gusci più esterni sono incompleti.

Prendendo ad esempio il cloruro di sodio(NaCl)si può notare che il sodio ha un solo elettrone nel guscio più esterno,mentre al cloro ne manca uno per raggiungere l’ottetto. Quindi l’atomo di cloro strappa all’atomo di sodio un elettrone e in tal modo può completare il suo guscio,mentre al sodio presenta ora solo 2 gusci elettronici,il più esterno dei quali ha 8 elettroni.
Si ha uno spostamento di carica negativa dal sodio al cloro,infatti il sodio ora ha acquistato carica positiva con soltanto 10 elettroni e 11 protoni,il cloro invece acquistando un altro elettrone possiede una carica netta. Si parla in questo caso di ioni,cioè atomi che perdendo o acquistando elettroni è provvisto di una o più cariche elettriche. Ioni che hanno cariche opposte si attraggono e se essa è abbastanza forte di forma il legame ionico,elettricamente neutro. I sali sono un gruppo di composti ionici che in natura si presentano allo stato cristallino.

Un altro tipo di legame è il legame covalente,che consiste nella condivisione da parte di due atomi una o più coppie di elettroni poste nei livelli energetici più esterni.
Due o più atomi legati insieme danno origine alla molecola,come ad esempio H ,una formula detta grezza,che mostra il legame fra due atomi uguali di idrogeno,si parla inoltre di configurazione elettronica e formula di struttura(H-H).
Il numero di legami covalenti che un atomo può fare è uguale al numero di elettroni che necessita per completare il guscio più esterno.
Nel caso dell’ossigeno vengono a formarsi due legami covalenti(O=O),poiché i due atomi mettono in condivisione due elettroni;quindi questo è un doppio legame.
Questi(H e O) sono solo molecole e non possono costituire composti perché formate da un solo elemento.CH ,il metano è un composto.

Il comportamento degli atomi e delle molecole e le loro interazioni sono strettamente collegati alla loro struttura. Le proprietà chimiche infatti dipendono dalla loro struttura,cioè dal numero e dalla disposizione delle particelle subatomiche,soprattutto degli elettroni.
L’acqua,indispensabile per la vita,può avere origine dall’unione di molecole e ossigeno,avendo questa reazione: 2H +O -> 2H O
Questo è un esempio appunto di reazione chimica,cioè di un processo che porta al cambiamento chimico nella materia .In questo caso due molecole di acqua reagiscono con una di ossigeno creando così due molecole di acqua,notando appunto che il numero di molecole di ossigeno è sempre lo stesso,ma cambia soltanto l’organizzazione degli atomi stessi. Infatti la materia non viene distrutta né creata,ma ridistribuita in maniera diversa.
Le reazioni chimiche comprendono la scissione e la formazione di legami chimici;ad esempio nella molecola precedente i legami che tengono uniti gli atomi delle molecole di idrogeno e ossigeno vengono spezzati e si formano nuovi legami che portano alla formazione di molecole d’acqua,il prodotto finale della reazione. Gli esseri viventi svolgono una gran quantità di reazioni chimiche,come il carotenoide beta-carotene(presente nelle carote e molti vegetali,che da quello colore giallo-arancione),fonte di vitamina A fondamentale per vista e pelle,che viene prodotta per reazione dalle cellule:
C + H +O +4H -> 2 C H O (da beta-carotene a vitamina A)
Si ha quindi la scissione a metà di ciascuna molecola di beta-carotene,producendo così due molecole di vitamina A. Per ciascun tipo di atomi il numero a destra della freccia è uguale a quello a sinistra di essa.

Le proprietà dell’acqua

La molecola dell’acqua è formata da due atomi di idrogeno legati covalentemente a un atomo di ossigeno,qui essi si contendono continuamente gli elettroni in condivisione.
L’attrazione che un atomo esercita sugli elettroni è detta elettronegatività,quindi più un atomo è elettronegativo,più attrarrà verso di sé gli elettroni di legame.
In molecole come O o H i due atomi sono identici e quindi vengono esercitate uguali forze sugli elettroni di legame;questi tipi di legami sono detti non polari perché gli elettroni sono condivisi equamente fra gli atomi,come alcune molecole di composti(metano CH ).
La molecola dell’acqua è formata da atomi con elettronegatività molto differente,infatti l’ossigeno è fra i più elettronegativi e attrae quindi con maggior forza gli elettroni verso di sé rispetto all’idrogeno,perciò in realtà gli elettroni sono più vicini all’ossigeno che all’idrogeno,quindi s’instaura così un legame covalente polare.
Gli elettroni sono attratti in maggiore misura verso l’atomo più elettronegativo,rendendo quest’ultimo parzialmente negativo e l’altro parzialmente positivo;la molecola dell’acqua è comunque globalmente neutra,cioè priva di carica. Quindi quella dell’acqua è una molecola polare,con un polo leggermente negativo e due leggermente positivi.

La polarità delle molecole d’acqua fa sì che esse interagiscano tra loro. Le estremità cariche di ciascuna molecola sono attratte dall’estremità di carica opposta delle molecole vicine. Si ha quindi una formazione di legami deboli fra una molecola e l’altra. Questo legame viene detto legame ad idrogeno,dove le estremità cariche positivamente sono sempre atomi di idrogeno.
Il polo negativo di ciascuna molecola,corrispondente all’ossigeno può formare legami con due atomi appartenenti ad altre quattro molecole d’acqua. Ciò permette all’acqua di aver peculiarità,come l’esistere alla forma solida,aeriforme e liquida.

I legami a idrogeno hanno durata di pochi miliardesimi di secondo,ma la maggior parte delle molecole rimane attaccata l’una all’altra,e questa forza di restare fra loro unite è detta di coesione,molto più forte nell’acqua che in altri liquidi.
Le forze di coesione sono fondamentali per la vita,ad esempio negli alberi,dove l’acqua arriva dalle radici fino alle foglie grazie a questa forza,andando contro la forza di gravità stessa.
Correlata a questa forza,vi è la tensione superficiale,che è una misura della difficoltà che di incontra nel deformare o rompere la superficie di un liquido e l’acqua si comporta come se avesse una pellicola invisibile che la separa dall’aria.

L’acqua si riscalda più lentamente del metallo,il suo cambiamento di temperatura è infatti dovuto ai legami a idrogeno. Grazie a ciò l’enorme quantità d’acqua terrestre regola la temperatura planetaria,mantenendone i valori adatti alla vita.
Il calore è la quantità di energia associata al movimento degli atomi e delle molecole di un corpo,mentre la temperatura è una misura dell’intensità di calore,cioè della velocità media delle molecole e non della quantità totale dell’energia termica di un corpo.
Quando l’acqua di riscalda i legami a idrogeno si rompono e solo successivamente fa aumentare la velocità con cui le molecole si muovono. L’acqua immagazzina calore anche quando si riscalda solo di pochi gradi. Quando l’acqua si raffredda,il numero di legami a idrogeno aumenta,liberando energia termica che rallenta il raffreddamento. Durante le stagioni calde l’acqua immagazzina calore che rilascia poi durante la stagione fredda,riscaldando l’aria circostante,questo rende il clima delle regioni costiere e lacustri più mite rispetto quello continentale;la resistenza alle variazioni fa sì che il clima degli oceani sia costante.
Inoltre i legami a idrogeno limitano la tendenza dell’acqua a evaporare;l’evaporazione si ha quando alcune molecole si muovono velocemente in modo da superare le forze di attrazione che mantengono le molecole unite.
Riscaldano un liquido l’evaporazione aumenta perché aumenta l’energia delle molecole. Per evaporare l’acqua ha bisogno di una notevole quantità di calore,perché i legami a idrogeno tendono a trattenere le molecole,quindi l’acqua avrà una sua temperatura di ebollizione pari a 100°C. Raramente al mondo l’acqua si avvicina al punto di ebollizione. La temperatura non varia eccessivamente grazie all’evaporazione. Quando una sostanza evapora la superficie del liquido si raffredda e ciò avviene perché le molecole hanno una maggiore quantità di energia e tendono ad evaporare per prime.
Il raffreddamento per evaporazione impedisce ad alcuni organismi di innalzare troppo la temperatura.

Nel ghiaccio i legami a idrogeno sono stabili,ciascuna molecola ne lega altre formando un cristallo tridimensionale. A parità di volume,nel cristallo di ghiaccio è presente un minor numero di molecole che nell’acqua allo stato liquido;quindi il ghiaccio è meno denso dell’acqua ed è per questo che galleggia. Questa è un’altra caratteristica indispensabile per la vita sulla terra.

Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze;la sostanza che si scioglie è chiamata solvente,la sostanza che si è sciolta soluto. Se il solvente è l’acqua si ha una soluzione acquosa.
L’acqua si comporta come un solvente all’interno di tutte le cellule,nel sangue e nella linfa della piante,poiché contiene molti soluti.
Il sale da cucina si scioglie nell’acqua,ioni di sodio e ioni di cloro che si trovano a livello della superficie del cristallo possiedono affinità differenti per le diverse regioni delle molecole dell’acqua.
Gli ioni Na+ sono positivi ed attraggono i poli elettronegativi delle molecole dell’acqua,corrispondenti agli atomi d’ossigeno;gli ioni Cl- sono negativi ed attraggono i poli positivi,corrispondenti agli atomi di idrogeno. Quindi Na+ e Cl- si separano perché circondati dalle molecole d’acqua.

Nelle soluzioni acquose interne agli organismi,alcune molecole d’acqua sono in realtà spezzate(ionizzate) e formano due tipi di ioni,gli ioni di idrogeno(H+) e gli ioni ossidrile (OH-).il perfetto equilibrio fra i due è fondamentale per lo svolgimento dei processi chimici all’interno degli organismi.
Un composto chimico che cede ioni H+ è una soluzione detta acido,come l’acido cloridrico(HCl),che si ionizza in ioni H+ e Cl-,una soluzione è più acida per la presenza maggiore di ioni H+.
Una base è un composto in grado di accettare ioni H+ rimuovendoli da una soluzione;alcune basi come l’idrossido di sodio(NaOH),in soluzione liberano ioni OH-,che si combinano con ioni H+,formando acqua.
Una soluzione è tanto più basica quanto minore è la sua concentrazione di ioni H+ o quanto maggiore la concentrazione di ioni OH-.
La scala del ph è indispensabile per indicare l’acidità delle soluzioni,la scala va da 0(massima acidità) a 14(massima basicità).Ogni unità di ph corrisponde a un aumento di 10 volte la concentrazione di ioni H+.Soluzioni che non sono né acide n+ basiche vengono dette neutre e il loro ph corrisponde a 7.
Le concentrazioni di ioni OH- e H+ sono uguali. All’interno di molte cellule il ph è uguale a 7 ed esse sono estremamente sensibili alle variazioni di concentrazioni di ioni H+ e OH-,pertanto un minimo cambiamento può essere dannoso.
I liquidi biologici perciò contengono sostanze tampone che contrastano i cambiamenti del ph,accettando ioni H+ quando sono presenti in eccesso e cedendoli se la loro concentrazione è troppo bassa.

I composti organici e i loro polimeri

Le molecole sintetizzate dalle cellule sono costituite da atomi legati ad atomi di altri elementi. Il carbonio forma grandi molecole,molto diverse fra loro. Insieme all’acqua,il carbonio è uno degli elementi più comuni negli organismi viventi. Composti organici sono caratterizzati da atomi di carbonio sintetizzati dalle cellule. Il motivo per cui esistono svariati legami con il carbonio è legato alla sua configurazione esterna,con 4 elettroni,mentre potrebbe contenerne 8,quindi si ha la tendenza a creare legami soprattutto di tipo covalente.
Il metano è una delle molecole organiche più semplici,dove il un atomo di carbonio si lega covalentemente con quattro atomi di idrogeno.
I quattro atomi di idrogeno si trovano ai vertici di un tetraedro e questa forma compare ogni volta che un atomo di carbonio forma quattro legami semplici,ma quando vengono a formarsi doppi legami la forma della molecola cambia,con gli angoli di legame.
Composti organici che avvengono fra idrogeno e carbonio sono detti idrocarburi,qui gli atomi di carbonio possono formare catene di varia lunghezza,lineari,ramificate o ad anello;tali catene costituiscono lo scheletro carbonioso della molecola.
All’interno dello scheletro carbonioso possono anche formarsi dei doppi legami. Composti che hanno uguale formula grezza ma differiscono per la posizione del doppio legame,quindi x la forma,sono detti isometri(butano-isobutano).

I gruppi che partecipano alle reazioni chimiche nelle molecole organiche sono detti gruppi funzionali,i quali sono tutti polari,perché gli atomi di ossigeno o di azoto esercitano una forte attrazione sugli elettroni;questa polarità li rende idrofili,sono quindi solubili in acqua,condizione necessaria per i processi vitali.
Un gruppo ossidrilico è costituito da un atomo di idrogeno legato ad un atomo di ossigeno,legato a sua volta allo scheletro della molecola;alcoli o fenoli sono i composti all’interno del gruppo(etanolo)e si trovano in molecole come zuccheri o vitamine idrosolubili.
Un gruppo carbonilico è formato da un atomo di carbonio legato a un atomo di ossigeno mediante un doppio legame. Se l’atomo del gruppo carbonilico si trova all’estremità dello scheletro carbonioso,il composto è detto aldeide(alcuni zuccheri e formaldeide -un conservante-);mentre i composti i cui gruppi si trovano all’interno della catena carboniosa sono chiamati chetoni(alcuni zuccheri;corpi che tonici).Un gruppo carbossilico è costituito da un atomo di ossigeno unito tramite doppio legame covalente a un atomo di carbonio,che è legato anche a un gruppo ossidrilico,che si comporta come un acido,perché libera in soluzione ioni idrogeno e pertanto i composti contenti questo gruppo funzionale sono detti acidi carbossilici(amminoacidi,proteine,alcune vitamine e acidi grassi).
Un gruppo amminico è formato da un atomo di azoto legato a due atomi di idrogeno e a un atomo di carbonio dello scheletro carbonioso,che si comporta in soluzione come una base,perché in grado di catturare ioni idrogeno;i composti organici che possiedono un gruppo amminico sono detti ammine(amminoacidi,proteine,nelle urine).

Molte biomolecole hanno dimensioni enormi dal punto di vista molecolare e per questo sono definite come macromolecole.
-le cellule costruiscono le macromolecole unendo molecole organiche più piccole in catene chiamate polimeri;il polimero è formato da molte unità molecolari identiche o simili legate fra loro e le unità che costituiscono un polimero sono detti monomeri.
Le cellule assemblano le macromolecole a partire da una piccola serie di monomeri,alcuni più comuni ed altri più rari. Le proteine sono formate da 20 tipi di amminoacidi,ad esempio,disposti in catene costituite da circa un centinaio di queste molecole. Il DNA è costituito da appena quattro tipo di monomeri,detti nucleotidi.
-la condensazione è un processo chimico di formazione di polimeri a partire da monomeri;tutti i monomeri presi singolarmente presentano alle due estremità atomi di idrogeno e gruppi ossidrilici.
Nel processo un monomero perde l’atomo di idrogeno mentre l’altro perde il gruppo ossidrilico,formandosi così un nuovo legame covalente che unisce i due monomeri e si forma una molecola d’acqua.
-le cellule non solo assemblano molecole,ma le possono demolire;si ha qui il processo di idrolisi,cioè spezzare con l’acqua;infatti le cellule spezzano i legami fra i monomeri tramite aggiunta di acqua. Quindi un gruppo ossidrilico di una molecola d’acqua viene legato a un monomero,mentre l’atomo di idrogeno si lega al monomero adiacente.